云南省水富縣大峽谷溫泉巖溶承壓水補給量分析計算

任繼周

(云南省水文水資源局昭通分局,云南昭通 657000)

云南省水富縣大峽谷溫泉巖溶承壓水補給量分析計算

任繼周

(云南省水文水資源局昭通分局,云南昭通 657000)

通過水文地質調查、同位素、水化學等分析方法對云南省水富縣大峽谷溫泉巖溶承壓水的來源補給區進行定性分析,采用降水入滲補給系數法、地下水總補給模數法對補給區的巖溶地下水資源總量進行定量計算,利用水量平衡原理計算巖溶承壓水的補給量。結果表明:溫泉補給區主要是五角堡,補給源為大氣降水,補給區多年平均地下水總量為621萬m3,流量為0.20m3/s。巖溶承壓水分析計算為該區域的水資源開發、利用和保護提供依據。

巖溶承壓水;補給量;分析計算;云南水富縣;大峽谷溫泉

隨著人們越來越關注水資源和水安全問題,探索水資源的來源問題不僅具有科學意義,而且具有實際價值;特別是深層地下巖溶承壓水的來源問題為探索水資源來源問題的難點[1-2],筆者根據工作經驗和有關的科研技術資料,以云南省水富縣“西部大峽谷溫泉”為例,對其深層地下巖溶承壓水的來源和補給量的計算方法進行探索,供各位同仁參考。

1 承壓水來源和補給區范圍分析

承壓水來源和補給區范圍通過水文地質勘測調查、水體同位素分析、水化學成分和特征分析等方面分析確定。

1.1 目標含水層所在地層及水文地質條件分析

目標含水層所在地層采用地質鉆探資料確定,利用區域水文地質圖和地質剖面圖分析目標含水層的空間分布情況,結合野外調查巖層的出露情況初步確定水源來源的范圍;承壓水的形成與地質構造密切相關,在適當的地質構造條件下會形成承壓水。

云南省水富縣“西部大峽谷溫泉”位于川滇交界的金沙江向家壩電站壩址上游1000m庫區右岸,是水量大、壓力高、水溫高(85℃)、水質優的巖溶承壓水[3-4],溫泉井地面高程為296m。

根據鉆探資料,井區出露的巖層:表部為河流第四系堆積卵石層Q4,向下依次為三疊系上統須家河組砂巖T3xj、中三疊統雷口坡砂頁巖T2l、嘉陵江灰巖T1j、飛仙關組粉砂巖T1f+t、二疊系樂平組砂頁巖P2l、峨眉山玄武巖P2β、二疊系下統灰巖 P1y、奧陶系下統牯牛潭組白云巖、砂巖O1。二疊系下統的灰巖P1y為目標含水層。二疊系茅口組和棲霞組(P1y)兩大碳酸鹽巖層為目標熱水儲層,是大峽谷溫泉井的出水層,巖性主要為灰白色、深灰色灰巖,其頂板高程-1295m,鉆探揭露底板高程-2046m,含水層厚度751m。在目標含水層以上有三疊系飛仙關組粉砂巖和二疊系峨眉山玄武巖兩個相對隔水地層,為溫泉含水層的保溫蓋層。

根據水文地質調查,目標含水層二疊系茅口組和棲霞組(P1y)石灰巖主要出露于“西部大峽谷溫泉”西部的芭蕉灘、五角堡等地。上述“天窗”多產出于背斜或穹隆構造的核部,它們是在內動力地質作用下伴隨風化剝蝕和河流下切而形成的。溫泉目標含水層二疊系灰巖直接出露地表,成為大氣降水主要的入滲窗口,從而溝通了地表與地下水體,為深層巖溶的發育創造了有利的條件,初步分析上述“天窗”是“西部大峽谷溫泉”的來源[5]。

圖1 云南水富縣大峽谷溫泉水文地質簡圖

但各個“天窗”在規模、形態、巖溶發育特征等方面差異較大:其出露高程和出露面積變化大。承壓水的形成主要取決于地質構造,上述“天窗”中,五角堡與溫泉的距離最近,為35km,五角堡和溫泉屬于相同構造區的同一構造帶,又有地質構造條件,即在五角堡-樓東和塘房灣背斜的作用下,形成“西部大峽谷溫泉”的承壓水,因此,可進一步分析五角堡是否為大峽谷溫泉的來源[6-7]。

1.2 同位素分析溫泉承壓水的補給高程和補給水源

對水體的同位素分析可以較為準確地確定溫泉水的成因、補給水來源的高程。通過采集大峽谷溫泉地區冷泉水樣9個、熱泉水樣1個、金沙江水樣1個,見圖1,其中5號點為大峽谷溫泉,1、2號點為五角堡巖溶泉水。采用氫氧同位素分析,得出以下結論。

a.分析水樣氫同位素δ D及氧同位素δ18O的關系,大峽谷溫泉的同位素落在降水線附近,表明大峽谷溫泉來源于大氣降水,屬滲濾成因的深循環地下熱水。

b.大氣降水的同位素組成一般具有高程效應,所謂高程效應是指地形起伏比較大的地區,大氣降水中氫同位素(δ D)和氧同位素(δ18O)隨著地面高度的增加而逐漸降低的現象,造成高程效應的主要原因是隨高度的增加氣溫逐漸降低,加速了水汽冷凝成雨和同位素的分餾,減少了雨滴的蒸發,所以常伴有山體迎風面的雨量增加,形成山體迎風面的超前降雨區,因而云團上升到高空后同位素含量越來越少。根據水的同位素具有高程效應這一特征,利用水樣同位素值可計算大峽谷溫泉和其他水體的補給高程,見表1。

c.計算大峽谷溫泉水的補給高程為1775m,這一高程與五角堡的高程(1783m)接近,證明溫泉的補給區主要為五角堡。金沙江水補給高程為3143m,主要為高原冰雪融水和大氣降水。

d.通過氫同位素(δ D)和氧同位素(δ18O)的分析,大峽谷溫泉來源于降水,補給區為五角堡的二疊系灰巖區。

表1 大峽谷溫泉及附近水樣δ D、δ18O分析結果

1.3 承壓水水化學分析

地下水化學成分的形成是地下水在埋藏、運移過程中與巖石相互作用的結果。因此,地下水化學成分記錄和反應地下水的形成條件及成因。研究和分析地下水化學成分特征及相互關系,對分析研究承壓水的形成及利用具有重要意義。對大峽谷溫泉地區11個水樣點(圖1)水樣進行化驗分析,主要水質分析結果見表2。

大峽谷溫泉5號點與五角堡1、2號點的水化學類型和特征比較一致,大峽谷溫泉水化學類型為低礦化度HCO-3-Ca2+Na+型水,補給區水化學類型為低礦化度HCO3-Ca2+型水,見表2,由此,進一步得出結論五角堡為大峽谷溫泉泉的水源補給區。

1.4 補給區范圍分析

通過地質野外調查和水文地質資料分析確定補給區范圍。五角堡補給區巖溶發育特征有:石牙,溶蝕、裂隙、溶洞,峰叢洼地-干溝-落水洞,巖溶泉水。五角堡補給區是典型的巖溶山區,由于地表水與地下水的分水線是不一致的,巖溶區內山脊為三條地表河流的分水線,但降水大部分都在巖溶區通過上述方式潛伏于地下,五角堡二疊系灰巖出露區,沒有一條地表溪流,溝谷幾乎全部為干溝,因此,確定五角堡二疊系灰巖出露區為補給區,補給區面積為11.5km2(圖1)。

1.5 承壓水的補給-徑流-排泄分析

補給:補給區巖溶發育,降水通過裂隙、溶洞、落水洞潛伏地下成為巖溶泉水。

徑流:補給區五角堡二疊系灰巖出露高程1160～1 783 m,井區新灘壩二疊系灰巖埋深-1295～-2046m,兩者相差2455～3829m,二疊系灰巖上部有相對隔水的飛仙關組粉砂巖和玄武巖地層的限制,較大的高差和有利的地層組合,為地下水的徑流提高了動力條件。

從補給區到溫泉井,地下水徑流的方向主要受五角堡-樓東背斜的控制,背斜軸部裂隙相對發育,為地下水的儲存和運移提供了空間和通道[8]。

排泄:補給區潛伏后的巖溶泉水,一部分受到玄武巖地層隔水層的阻隔,在補給區銅廠溝二疊系灰巖石與玄武巖的接觸面出露為幸福泉,出露高程為870m,出露后向當地溪流、河流排泄。另一部分繼續受構造和特殊的地形、巖性組合控制,一方面向地下深循環,另一方面長距離的由西南向北東方向的大峽谷溫泉運動,排泄較為隱蔽(圖2)。

圖2 大峽谷溫泉形成原理示意圖

2 承壓水補給量計算

2.1 補給區巖溶水總量計算

補給區的降水除蒸發和少部分形成地表徑流外,其余通過溶蝕、裂隙、溶洞,峰叢洼地、落水洞等方式潛伏在目標含水層二疊系灰巖內,成為補給區的巖溶水資源量[9]。補給區的巖溶水總量采用降水入滲補給系數法和地下水總補給模數圖法2種方法計算。

a.降水入滲補給系數法。降水入滲補給系數受降水、地形地貌、土壤植被、巖性、地質構造等多種因素影響,一般富水性強的碳酸巖地區入滲補給系數大,富水性差的砂頁巖地區入滲補給系數小。根據地區分區的流域降水量-地下徑流深-入滲補給系數圖并結合實地調查分析,五角堡為石灰巖地區,降水大部分潛入地下,水源補給區的入滲補給系數確定為0.40,補給區40a平均年降水量為1350mm,則多年平均地下徑流量為621萬m3。

b.地下水總補給模數圖法。根據實測水文資料和枯泉水調查繪制的地區地下水總補給模數圖代表地下水的正常值,通過實地調查分析,補給區巖溶區石牙、溶洞、落水洞發育,降水大部分潛入地下,則確定補給區多年平均地下水總補給模數為55萬m3/km2,補給區面積為11.5 km2,則多年平均地下水總量為633萬m3。

地下水總補給模數圖法和降水入滲補給系數法2種方法計算的補給區巖溶水總量基本接近,采用降水入滲補給系數法的計算成果,即補給區多年平均地下水總量W為621萬m3,流量為0.20m3/s。

2.2 承壓水補給量計算

補給區的巖溶水在從補給源向大峽谷排泄的過程中,一部分以泉水的形式出露于地表,如幸福泉排泄量W泄為445萬m3,另一部分潛入地下深層成為溫泉,則大峽谷目標含水層獲得的承壓水多年平均補給量為:

由于無泉水實測資料系列,大峽谷溫泉承壓水多年平均補給量成果的檢驗,采用西部大峽谷溫泉井的調查測量資料進行。大峽谷溫泉為自噴井,溫泉自噴井日出水量最大為1978年初期,平均噴出水量為4306m3/d,2003年平均噴出水量為3000m3。噴出水量是動態變化的,多年平均噴出水量3500m3/d,多年年平均噴出水量為128萬m3。大峽谷目標含水層獲得承壓水多年平均補給量(176萬m3)大于溫泉井的多年年平均噴出水量(128萬m3),分析計算承壓水補給量與大峽谷溫泉的多年年平均噴出水量是協調合理的。

3 結 論

筆者依據大量的自然地理、水文地質、水文調查資料,對巖溶承壓水的補給源和形成進行探索,采用水文地質調查、同位素、水化學等多種方法定性分析巖溶承壓水的補給源和補給范圍;采用降水入滲補給系數法、地下水總補給模數圖法定量計算巖溶承壓水補給量,利用水量平衡原理計算溫泉承壓水多年平均補給量,計算的方法合理,分析計算成果通過與大峽谷溫泉的實測噴出水量檢驗,成果是可靠的。分析計算為大峽谷溫泉水資源的開發利用和保護提供了技術依據。

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Analysis and calculation of karst confined water recharge:A case study of thermal spring in Daxiagu in Shuifu County,Yunnan Province

REN Ji-zhou
(Zhaotong Branch of Yunnan Hydrology and Water Resources Bureau,Zhaotong 657000,China)

Through hydrogeological surveys,isotopes,and water chemistry analysis,the supply sources of thermal spring karst confined water recharge zones in Shuifu County,Yunnan Province were analyzed qualitatively.Using the precipitation recharge coefficient method and the groundwater recharge module of the total supply method,the total undergroundwater resources in karst areas were estimated quantitatively.The water balance principle was employed to calculate the water volume supplying karst confinedwater.The results showed that Wujiaobao was the main supply zone,and the water supply was recharged by precipitation.The long-term average groundwater resourceswere 6.21×106m3,and the recharge discharge was 0.20m3/s.The results provided the basis for the development,utilization,and protection of water resources.

karst confined water;recharge discharge;analysis and calculation;Shuifu County,Yunnan Province;thermal spring in Daxiagu

P641.8

A

1004-6933(2010)02-0066-04

任繼周(1966—),男,云南昭通人,高級工程師,主要從事水資源分析評價、水文預報等工作。E-mial:rjz2229409@163.com

(收稿日期:2009-01-04 編輯:徐 娟)